Гравитация

Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII веке ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволил осознать истинную роль гравитации как силы природы. 28 апреля 1686 г. Ньютон представил Лондонскому Королевскому Обществу механику земных и небесных процессов. Это одна из величайших дат в истории человечества!

Гравитация обладает рядом особенностей отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью является малая интенсивность. Гравитационное взаимодействие в 10³⁹ раз меньше сил взаимодействия электрических зарядов. Как может такое слабое взаимодействие оказаться господствующей силой во Вселенной?

Если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не взаимодействием между электрическими зарядами, то радиус низшей (самой близкой к ядру) орбиты электрона превосходил бы радиус доступный наблюдению части Вселенной.

Все дело во второй удивительной черте гравитации – ее универсальности. Ничто во Вселенной не сможет избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие, и сама является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скопления вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию, потому что все атомы земли сообща притягивают нас, зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты гравитации пока не доступны наблюдению.

Кроме того, гравитация – дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационные взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части, она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в метагалактике.

Сила гравитации, действующая между частицами всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивания еще никогда не наблюдались.

Хотя в традициях квазинаучной мифологии есть целая область, которая называется левитация – поиск «фактов» антигравитации.

Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация – неким полем, искривлением пространства – времени или тем и другим вместе. На этот счет существует разные мнения и концепции.

В одной из них высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля – гравитона. Подобно фотонам, гравитоны движутся со скоростью света; следовательно, это частицы с нулевой массой покоя. Но этим сходство между гравитонами и фотонами исчерпывается. В то время как фотон имеет спин 1, спин гравитона равен 2. Это важное различие определяет направление силы. При электромагнитном взаимодействии одноименнозаряженные частицы (электроны) отталкиваются, а при гравитационном – все частицы притягиваются друг к другу. Поскольку гравитационные взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляются, что непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно и пока не удалось, поэтому нет завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия.

21. Электромагнетизм

По величине электрические силы намного превосходят гравитационные, поэтому в отличие от слабого гравитационного взаимодействия электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать. Электромагнетизм известен с незапамятных времен (полярные сияния, вспышки молнии и другие).

В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в XIХ веке Максвелл, объединив электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма – в первой единой теории поля.

Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы.

Долгое время загадкой была и природа магнетизма. Как и электрические заряды, одноименные магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются. В отличие от электрических зарядов магнитные полюсы встречаются не по отдельности, а только парами – северный полюс и южный. Хорошо известно, что в обычном магнитном стержне один конец действует как северный полюс, а другой – как южный. Еще с древнейших времен известны попытки, получить посредством разделения магнита лишь один изолированный магнитный полюс – монопóль. Но все они заканчивались неудачей: на месте разреза возникали два новых магнита, каждый из которых имел и северный и южный полюсы. Может быть, существование изолированных полюсов в природе исключено? Определенного ответа нет. Некоторые современные теории допускают возможность существования монопóля.

Электрические и магнитные силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи – в мегамире, макромире и микромире. Как и гравитация, оно подчиняется закону обратных квадратов.

Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему; существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы; силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяется агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

Переносчиком электромагнитного взаимодействия выступает фотон. Теория электромагнитного взаимодействия представлена квантовой электродинамикой.